系统总线

Posted 2020-12-24 yangyuliufeng

系统总线指处理器总线（又称前端总线，Intel体系结构系统总线特指处理器总线）、存储器总线、I/O总线。传输的信息包括：数据（指令、操作数、中断号）、地址、其他控制/状态/定时等信号

系统总线通常由一组控制线、一组数据线和一组地址线构成。

也有些总线没有单独的地址线，地址信息通过数据线来传送，这种情况称为数据/地址复用。

数据线（Data Bus）承载在源和目部件之间传输的信息。数据线的宽度反映一次能传送的数据的位数。

地址线（Address Bus）给出源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址。地址线的宽度反映最大的寻址空间。

控制线（Control Bus）控制对数据线和地址线的访问和使用。用来传输定时信号和命令信息。典型的控制信号包括：

1. 时钟（Clock）：用于总线同步
2. 复位（Reset）：初始化所有设备
3. 总线请求（Bus Request）：表明发出该请求信号的设备要使用总线
4. 总线允许（Bus Grant）：表明接收到该允许信号的设备可以使用总线
5. 中断请求（Interrupt Request）：表明某个中断正在请求
6. 中断回答（Interrupt Acknowledge）：表明某个中断请求已被接受
7. 存储器读（memory read）：从指定的主存单元中读数据到数据总线上
8. 存储器写（memory read）：将数据总线上的数据写到指定主存单元中
9. I/O读（I/O read）：从指定的I/O端口中读数据到数据总线上
10. I/O写（I/O Write） ：将数据总线上的数据写到指定的I/O端口中
11. 传输确认（transmission Acknowledge）：数据已被接收或已送总线

 

IO发展对总线的影响

• 单总线： 将CPU、主存和I/O模块连接到同一组总线上

优点：结构简单，易于扩充

缺点：主存需要和I/O模块共用总线；设备增多会造成总线变长，进而增加传输时延；无法适用于大量高速设备

• 传统的三级总线：主存和Cache通过主存总线传送数据，主存总线和扩展总线上的I/O设备之间传送数据通过扩展总线接口缓冲  

优点：主存与I/O之间的数据传送与处理器的活动分离；可以支持更多的I/O设备

缺点：不适用于I/O设备数据速率相差太大的情形

• 采用南北桥的多级总线：通过存储总线、PCI总线、E(ISA)总线分别连接主存、高速I/O设备和低速I/O设备

优点：可以支持不同数据速率的I/O设备

• 采用I/O通道的多级总线

支持CPU、主存和多个I/O通道之间的数据传送

支持I/O通道和I/O控制器，以及I/O控制器和设备

 

• 总线裁决

早期：总线多是共享传输，需确定哪个设备使用总线。

现在：总线多是点对点传输，无需裁决。

• 总线定时

定义总线事务中的每一步何时开始、何时结束。

Synchronous (同步)：用时钟信号来确定每个步骤

Asynchronous(异步)：用握手信号来定时，前一个信号结束就是下一个信号的开始

半同步：结合使用时钟信号和握手信号来定时

• 并行/串行传输

并行传输：一个方向同时传输多位数据信号，故位与位需同步，慢

串行传输：一个方向只传输一位数据信号，无需在位之间同步，快

现在总线设计的趋势是：点对点、同步、串行

 

总线的性能指标：

• 总线宽度：总线中数据线的条数，决定了每次能同时传输的信息位数
• 总线工作频率：每秒传送次数（MT/s或GT/s）。

早期的总线通常一个时钟传送一次数据 ，此时，工作频率等于总线时钟频率；

现在总线一个时钟周期可传送2次或4次数据，因此，工作频率是时钟频率的2倍或4倍

• 总线带宽

总线的最大数据传输率（一秒钟内传输的数据量）

总线带宽计算公式： B=W×F/N 

W-总线宽度；F-总线时钟频率；N-完成一次数据传送所用时钟周期数；F/N实际上就是总线工作频率

• 总线传送方式：

非突发传送：每个总线事务都传送地址，一个地址对应一次数据传送

突发（Burst）传送：即成块数据传送。突发传送总线事务中，先传送一个地址，后传送多次数据，后续数据的地址默认为前面地址自动增量

 

以下图为例：

存储器控制器单独做到了北桥芯片。

扩展槽（就是一种总线）用来插网卡、声卡等

声卡等也可以直接集成在主板上，做到南桥芯片里。

存储器总线实际上是内存条的插槽。

 

处理器总线：

前端总线（Front Side Bus，FSB）

早期Intel架构使用，位于CPU芯片与北桥芯片之间互连

从Pentium Pro开始，FSB采用quad pumped技术：每个总线时钟周期传送4次数据

并行传输、同步定时方式

若工作频率为1333MHz（实际单位应是MT/s，表示每秒传送1333M次 ，实际时钟频率为333MHz），总线宽度为64位，则总线带宽为1333MT/s×8B=10.5GB/s

QPI（Quick Path Interconnect）总线

目前在Intel架构中CPU芯片内部核之间、CPU芯片之间、CPU芯片与IOH（I/O Hub）芯片之间，都通过QPI总线互连。

QPI是基于包交换的串行、高速点对点连接：发送方和接收方各有时钟信号 ，双方同时传输数据（各有20条数据线，相互之间不需要同步），每个QPI数据包含80位，分两个时钟周期传送，每个时钟周期传两次（上升沿下降沿各一次），每次传20位（16位数据+4位校验位）。

QPI总线的速度单位（工作频率）为GT/s，表示每秒传送多少G次。若QPI时钟频率为2.4GHz，则速度为4.8GT/s，带宽为4.8G×2B×2=19.2GB/s（发送接收同时进行）

 

存储器总线：

以Intel Core i7为例：

core通过QPI总线与另外三个core相连

北桥和三个存储器控制器做在了CPU芯片内，CPU通过存储器总线（即内存条插槽，图中为三通道插槽）直接和内存条相连。

内存条应该插在工作频率为1333MT/s的总线上，每次读64位，最多可以三通道同时传输。

 

I/O总线：

I/O总线用于为系统中的各种I/O设备提供输入输出通路，在物理上可以是主板上的I/O扩展槽，如：

第一代：ISA/EISA总线、VESA总线，早被淘汰

第二代：PCI、AGP、PCI-X，被逐渐淘汰

第三代：PCI-Express（串行总线，主流总线）

两个PCI-Express设备之间以一个链路（link）相连，每个链路包含多条通路（lane），可以是1、2、4、8、16或32条

PCI-Express×n表示一个具有n条通路的PCI-Express链路

每条通路可同时发送和接受，每个数据字节被转换为10位信息被传输PCI-Express1.0下，每条通路的发送和接受速率都是2.5Gb/s，故PCI-Express×n的带宽为：2.5Gb/s×2×n/10=0.5nGB/s。

如：PCI-Express1.0下，PCI-Express×2的带宽为1GB/s，PCI-Express×4的带宽为2GB/s，PCI-Express×16的带宽为8GB/s。

以Intel Core i7为例：

高速设备挂接在IOH，慢速设备挂接在ICH。

QPI总线的带宽为：6.4GT/s×2B×2=25.6GB/s

每个存储器总线的带宽为：64b/8×1066 MT/s = 8.5 GB/s